Кольская сверхглубокая: зачем учёные бурили скважину к центру Земли

В продолжение темы: https://www.yaplakal.com/forum2/topic2013982.html

В мае 1970 года на Кольском полуострове приступили к бурению Кольской сверхглубокой скважины. По сей день она остаётся самой глубокой в мире — 12 261 метров. Открытия, сделанные на ней, принесли человечеству не только массу новых знаний об устройстве литосферы, но и целый ряд загадок, до сих пор остающихся неразрешёнными.

Фото: Д.Ф. Сабуров - архив Юрия Яковлева

5 фото. via

Точка отсчёта.

Бурение исторической сверхглубокой скважины стартовало 24 мая 1970 года на севере Кольского полуострова, приблизительно в 100 км от Мурманска недалеко от озера Вильгискоддеоайвинъярви. Этому событию предшествовали годы подготовки и обоснования правительству страны целого ряда исследований с интригующими задачами. На "Кольской сверхглубокой" не пытались искать золото, нефть или иные полезные ископаемые — решать планировалось исключительно научные задачи. Совершенно неординарный коллектив учёных и инженеров начал работу на проекте с кодовым названием СГ-3, который оставался закрытым на протяжении 14 лет.

Для справки.

То, что земной шар устроен как многослойная сфера — горячее ядро, мантия, земная кора, — каждый из нас помнит из школьных уроков географии. Строение земной коры долгое время представлялось учёным похожим на слоеный пирог — над глубоко лежащими древними породами лежат более молодые. Теоретическая модель основана на геофизических исследованиях; было установлено, что сейсмограмма неглубоких землетрясений имеет два и более акустических сигналов: прямой и преломлённый. Сейсмические волны, проходя через неведомую границу, увеличивали свою скорость. Было сделано предположение, что под слоем осадочных пород, составляющим земную поверхность, лежит слой гранитов, а под гранитами — более древние базальтовые породы. Проходя через границу древних слоёв, сейсмические волны меняют скорость. Условная граница, на которой происходило скачкообразное увеличение скорости прохождения сейсмических волн примерно с 6 до 6,5 км/с, названа геологами "поверхность Конрада", а рубеж, где эта скорость возрастает с 6,7 до 8,2 км/с, называется "граница Мохоровичича" — в честь двух учёных, описавших эти явления. "Поверхность Конрада" считается границей между гранитами и базальтами, а "граница Мохоровичича" считается нижним уровнем земной коры, отделяющим её от мантии. Теоретические выкладки требовали проверки, а ответы на эти вопросы о строении и составе внешней оболочки Земли и верхней мантии могло дать только непосредственное исследование — проникновение в недра земной коры на рекордные глубины.

Заокеанский вызов.

60-е и 70-е годы ХХ века были временем бурного развития мировой науки. Соревнование двух великих держав — СССР и США — происходило не только в космосе. Загадки строения земных недр привлекали учёных не меньше, чем космические исследования. О том, что они намерены пройти глубокими скважинами земную кору насквозь и достичь "границы Мохоровичича", американцы заявляли ещё в конце 50-х. В 1961 году у острова Гваделупа в Карибском море, американские геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из которых вошла в дно на 183 метра. Результаты этого эксперимента ничего не объяснили, а новые проекты сверхглубокого бурения Конгресс США посчитал слишком дорогими.

Советский Союз не мог не отозваться на вызов заокеанских исследователей. В 1962 году Никита Хрущёв, которому ни за что не хотелось отстать от США, утвердил программу изучения недр путём сверхглубокого бурения, подготовленную ведущими геологическими институтами. Советские специалисты отказались от идеи шельфового бурения в пользу скважин на материке.

Доктор геолого-минералогических наук, профессор, член Русского географического общества Юрий Кузнецов долгое время работал на Кольской сверхглубокой скважине. Он вспоминает, что при организации всей работы ставилась особая задача — ни одного зарубежного прибора. Все - от буровой установки до электронных систем управления должно было быть разработано в СССР. Теоретическую базу проекта создавали лучшие геофизики и геохимики страны, подготовившие примерный разрез недр Кольского полуострова. Немалую роль в выборе места для проекта сыграли и геологические исследования экспедиций, проводившихся на Кольском полуострове учёными, работавшими по проектам, которые активно поддерживало Географическое общество СССР.

"В том, что этот проект состоялся — огромная заслуга целого ряда учёных, в первую очередь нашего выдающегося геолога академика Николая Лавёрова, — рассказывает доктор геолого-минералогических наук, профессор Юрий Кузнецов. — Место для скважины было выбрано неслучайно, именно там на поверхность выходят древнейшие породы Балтийского щита, возраст которых около 3 млрд лет. Кроме того, член-корреспондент АН СССР Николай Хитаров показал, что именно на Кольском можно ожидать того, что "граница Конрада" подходит очень близко к поверхности — около 7 километров".

Небывалая научная задача.

В закрытом научном эксперименте участвовал целый ряд союзных и республиканских министерств, научно-исследовательских и проектных институтов, заводов. Инженерам пришлось решать действительно небывалые задачи — ведь по представлениям учёных на глубине 10 км можно было ожидать температуры около 300°С, высокого давления, внезапных газовых выбросов. Стальная буровая колонна не годилась - она разрушилась бы под собственным весом в 200 тонн, поэтому она была специально разработана и изготовлена из лёгкого сплава алюминия. Задача, которая в итоге ставилась перед проектом, — достичь глубины в 15 км.

Не только научные результаты проекта, но и инженерные разработки "Кольской сверхглубокой" были уникальными, — вспоминает Юрий Кузнецов. — Уже одно то, что для задач исследователей было необходимо вести бурение "открытым стволом" — без обсадных колонн, помогающих предотвратить осыпание породы в шахте. И это уже само по себе — настоящий рекорд. Отклонение от вертикали на такую колоссальную глубину в итоге составило у нас всего 6 градусов. Такого не удалось достичь пока никому из наших последователей".

Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. До этой глубины проходка шла через прочные однородные породы. И вот первое открытие - на глубине 7 км той самой "границы Конрада" между гранитами и базальтами найдено не было. Теоретическая модель строения земной коры не выдержала проверки столь масштабным экспериментом. Он принёс новые удивительные откровения — граниты на этой большой глубине оказались необычными — хрупкие, трещиноватые, насыщенные газом, и что самое удивительное — водой. Учёные столкнулись с тем, что вынутый из ствола кусок керна при подъёме на поверхность испытывал "кессонную болезнь" — разрушался под действием выходящего из породы газа.

Jeremy Kemp. Изображение: Земля в разрезе. Левая картинка не в масштабе. Источник: wikipedia.org

"Мы вскрыли «границу Конрада», которую раньше моделировали гранитом и базальтом. Ни того, ни другого мы не обнаружили, а обнаружили изменение физических свойств горных пород, — рассказывает Юрий Кузнецов. — Мы назвали эту границу тектонофизической. Вода на этой глубине — это просто поразительное открытие. При такой температуре и давлении именно она меняет структуру и свойства горных пород".

После 7 км глубины бурение сильно осложнилось: бур заклинивало породой, буровая головка обрывалась при попытке подъёма, часть буровой колонны при этом навсегда оставалась под землёй. С отметок в 7 и 9 километров скважину несколько раз начинали проходить заново. Но 6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший нефтяной скважине Берта-Роджерс в Оклахоме.

Открытия и загадки.

В то время на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР. Открытия учёных не ограничились опровержением базовой теории "слоеного пирога". На глубине 9,5 км было обнаружено промышленное содержание ряда металлов, в том числе золота. Ранее считалось, что эти месторождения не могут иметь глубину более 4-5 км.

Исследования на СГ-3 принесли удивительные открытия и в теории развития земной жизни. На глубине, где учёные даже не подозревали содержания органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов, а возраст глубинных слоёв превышал 2,8 миллиарда лет. Получается, что жизнь на планете Земля возникла на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. Другая загадка — метан, обнаруженный значительно глубже слоёв осадочных пород. Этот факт ставит под сомнение теорию биологического происхождения углеводородов.

Ещё одно удивительное откровение произошло, когда в Кольском научном центре исследовали образцы лунного грунта. Оказалось, что по химическому составу он практически идентичен породам, извлечённым из скважины с глубины около 3 км. Теория "земного" происхождения Луны обрела ещё одно подтверждение.

Секретность, окружавшая объект СГ-3, была снята в 1984 году. В этом "виноват" Всемирный геологический конгресс, состоявшийся в Москве. Скрывать объект более не имело смысла. Сведения об уникальной сверхглубокой скважине стали достоянием всего мирового научного сообщества. В Кольскую сверхглубокую никто не верил, но делегация участников Конгресса смогла убедиться в этом лично. Рассказывают, что участники конгресса в шутку предлагали немедленно зарыть шахту, поскольку она разрушает все представления о строении земной коры. Глубина скважины к тому моменту достигла 12 066 метров.

Кольская. Будущее.

В 90-е годы Кольскую сверхглубокую ожидали те же испытания, что и всю российскую науку. С 1995 года бурение прекращено: стало некому финансировать проект. Отметка глубины на этот момент — 12 262 метра — больших глубин человечество так и не достигло до сих пор. В 1997 году объект внесли в Книгу рекордов Гиннесса.

Скважины, следующие за "Кольской":
Берта-Роджерс, США, глубина — 9 583 м.
Бейден-Юнит, США, глубина — 9 159 м.
КТВ Hauptbohrung, Германия, глубина — 9 100 м.
Юниверсити, США, глубина — 8 686 м.
Цистердорф, Австрия, глубина 8 553 м.
Саатлинская, Азербайджан, глубина — 8 324 м.
Бигхорн, США, Вайоминг, глубина — 7 583 м.
Тюменская СГ-6, Западная Сибирь, глубина — 7 502 м
Колвинская, Архангельская область, глубина — 7 057 м
Тимано-Печорская СГ-5, глубина — 6 904 м

Почтовая марка 1987 года с Кольской сверхглубокой. Источник: wikipedia.org

...

Ранее.